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1、(10)申请公布号 CN 104266968 A (43)申请公布日 2015.01.07 CN 104266968 A (21)申请号 201410453509.1 (22)申请日 2014.09.05 G01N 21/01(2006.01) G01N 21/19(2006.01) (71)申请人 中国地质大学 （武汉） 地址 430074 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388 号 (72)发明人 金伟东 张昊 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 许美红 (54) 发明名称 高精度偏振二向反射自动测量仪 (57) 摘要 本发明公开了一种高精度偏振二向反射自动。
2、 测量仪， 包括激光器、 光纤耦合器和自动调节收发 器， 激光器和光纤耦合器之间放置斩波器 ； 该自 动调节收发器包括伺服电机、 同轴的发射臂和接 收臂， 发射臂和接收臂上均安装有数字角度计， 数 字角度计与上位机连接 ； 伺服电机控制接收臂在 主平面的转动， 光纤耦合器通过光纤与发射臂上 的发射套筒连接， 发射套筒中的光照射到样品台 的样品上 ； 接收臂上安装有接收套筒， 该接收套 筒内设有光信号采集模块， 采集的光信号被输入 到第一锁相放大器 ； 信号经第一锁相放大器处理 后， 将处理结果输入上位机， 上位机再对信号进行 处理并显示处理结果。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说。
3、明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104266968 A CN 104266968 A 1/1 页 2 1. 一种高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 包括激光器、 光纤耦合器和自动 调节收发器， 激光器和光纤耦合器之间放置斩波器 ； 该自动调节收发器包括伺服电机、 同轴的发射臂和接收臂， 发射臂和接收臂上均安装 有数字角度计， 数字角度计与上位机连接 ； 伺服电机控制接收臂在主平面的转动， 光纤耦合 器通过光纤与发射臂上的发射套筒连接， 发射套筒中的光照射到样品台的样。
4、品上 ； 接收臂 上安装有接收套筒， 该接收套筒内设有光信号采集模块， 用于采集样品反射的光信号， 采集 的光信号被输入到第一锁相放大器 ； 信号经第一锁相放大器处理后， 将处理结果输入上位 机， 上位机再对信号进行处理并显示处理结果。 2. 根据权利要求 1 所述的高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 样品的表面 上方还设有监视器， 该监视器输出的信号被输入到第二锁相放大器， 信号经第二锁相放大 器处理后， 将处理结果输入上位机， 上位机对两个锁相放大器的信号进行处理， 扣除背景噪 声。 3. 根据权利要求 2 所述的高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 所述光信号 采集模块。
5、为光电二极管。 4. 根据权利要求 3 所述的高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 所述接收套 筒内设有陷波滤波器、 1/4 玻片、 线偏振片、 透镜和光阑和光电二极管， 陷波滤波器透过特定 波长的激光信号， 通过旋转 1/4 玻片和线偏振片处于不同的相对角度， 来探测不同的偏振 信号， 光信号经过透镜聚焦， 打到光电二极管上， 光电二极管将光信号转换为电信号输出到 第一锁相放大器。 5. 根据权利要求 3 所述的高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 发射套筒内 设有光纤发射头、 线偏振片、 1/4 玻片和透镜， 激光通过光纤耦合器进入光纤， 由光纤发射头 发出， 旋转线偏振片。
6、和 1/4 玻片处于不同的相对角度， 得到实验所需的偏振光。 6. 根据权利要求 1 所述的高精度偏振二向反射自动测量仪， 其特征在于， 自动调节收 发器通过底板固定在光学平台上， 该自动调节收发器包括基座， 基座上固定减速器和伺服 电机 ； 发射臂由发射臂夹持器固定， 发射臂夹持器固定在基座前挡板上 ； 接收臂通过接收 臂夹持器固定， 接收臂夹持器固定在主轴上， 主轴与基座前挡板由轴承固定， 主轴与减速器 输出轴之间通过联轴器连接。 权 利 要 求 书 CN 104266968 A 2 1/4 页 3 高精度偏振二向反射自动测量仪 技术领域 0001 本发明涉及定量遥感， 计算机图形学领域，。
7、 特别涉及能测量材料高精度偏振二向 反射自动测量仪。 背景技术 0002 双向反射分布函数 (Bidirectional Reflected Distribution Function， 后面简 称 BRDF)， 用来描述材料表面上半球空间的光反射特性， 主要包括光谱反射特性和角度特 性。 0003 该函数定义为某一反射方向上的辐射亮度与入射到材料表面的辐射照度的比值， 其表达式为公式 (1) ： 0004 0005 其中 dEi(i,i； ) 为光源沿着 (i,i) 入射方向辐射到物体表面的辐照度， 单位为 W/m2； dLr(i,i； r,r； ) 为 (r,r) 反射方向上物体表面反射的。
8、辐亮度， 单 位为 W/(m2*sr), 为单色光波长 ； fr(i,i； r,r； ) 即为 BRDF， 单位为 sr-1。 0006 主平面， 即入射光与反射光构成的平面。 0007 线偏振度 (DOLP)， 圆偏振比 (c)， 线偏振比 (/ 和 ) 定义如下 ： 0008 0009 0010 0011 0012 在公式 (1)-(4) 中，“C” 代表圆偏振光，“O” 和 “S” 分别代表相反和相同的旋向。 “P” 和 “S” 代表与散射平面平行和垂直的电场方向。例如 IPS代表散射光沿着 S 方向偏振， 入射光沿着 “P” 方向偏振。 0013 现有的 BRDF 测量装置一般只能测量。
9、强度信息， 几乎没有涉及偏振测量， 因为偏振 测量包含许多复杂的设计环节。 0014 热点效应， 很多密堆积颗粒表面的 BRDF 表现出很强的背散射增强效应， 即当相 角 ( 入射光和散射光之间的夹角 ) 趋向于零时 ( 即顺着入射光线方向观测 )， BRDF 有很大 的增强， 俗称 “热点效应” (Hot spot 或者 Opposition Effect)。而伴随着背散射增强的 出现， 线性偏振度 (DOP) 往往会出现负值， 即所谓的负偏振效应 (Negative Polarization Effect,NPE)。对于热点效应精细结构的探测， 需要很高的角分辨率， 也就是需要探测器离 说。
10、 明 书 CN 104266968 A 3 2/4 页 4 开样品非常远， 长度增加会使系统稳定性变差， 需要在设计中小心考虑。 本发明的设计探测 距离是 2000mm， 目前还未发现长度与之类似的发明。 发明内容 0015 本发明的目的在于提供一种新型偏振二向反射自动测量装置， 能够自动对于主平 面内反射光强度和偏振信息进行测量， 并保证很高的精度。 0016 实现本发明目的所采用的技术方案是 ： 0017 提供一种高精度偏振二向反射自动测量仪， 包括激光器、 光纤耦合器和自动调节 收发器， 激光器和光纤耦合器之间放置斩波器 ； 0018 该自动调节收发器包括伺服电机、 同轴的发射臂和接收臂。
11、， 发射臂和接收臂上均 安装有数字角度计， 数字角度计与上位机连接 ； 伺服电机控制接收臂在主平面的转动， 光纤 耦合器通过光纤与发射臂上的发射套筒连接， 发射套筒中的光照射到样品台的样品上 ； 接 收臂上安装有接收套筒， 该接收套筒内设有光信号采集模块， 用于采集样品反射的光信号， 采集的光信号被输入到第一锁相放大器 ； 信号经第一锁相放大器处理后， 将处理结果输入 上位机， 上位机再对信号进行处理并显示处理结果。 0019 本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中， 样品的表面上方还设有监视 器， 该监视器输出的信号被输入到第二锁相放大器， 信号经第二锁相放大器处理后， 将处理 结果输入。
12、上位机， 上位机对两个锁相放大器的信号进行处理， 扣除背景噪声。 0020 本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中， 所述光信号采集模块为光电二 极管。 0021 本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中， 所述接收套筒内设有陷波滤波 器、 1/4 玻片、 线偏振片、 透镜和光阑和光电二极管， 陷波滤波器透过特定波长的激光信号， 通过旋转 1/4 玻片和线偏振片处于不同的相对角度， 来探测不同的偏振信号， 光信号经过 透镜聚焦， 打到光电二极管上， 光电二极管将光信号转换为电信号输出到第一锁相放大器。 0022 本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中， 发射套筒内设有光纤发射头、 线。
13、偏振片、 1/4 玻片和透镜， 激光通过光纤耦合器进入光纤， 由光纤发射头发出， 旋转线偏振 片和 1/4 玻片处于不同的相对角度， 得到实验所需的偏振光。 0023 本发明所述的高精度偏振二向反射自动测量仪中， 自动调节收发器通过底板固定 在光学平台上， 该自动调节收发器包括基座， 基座上固定减速器和伺服电机 ； 发射臂由发射 臂夹持器固定， 发射臂夹持器固定在基座前挡板上 ； 接收臂由接收臂夹持器固定， 接收臂夹 持器固定在主轴上， 主轴与基座前挡板由轴承固定， 主轴与减速器输出轴之间通过联轴器 连接。 0024 本发明产生的有益效果是 ： 本发明通过伺服电机控制， 通过自主设计的机械传动。
14、 机构， 带动接受臂自动采集数据， 减少了人为干预， 极大提高了效率和准确度。 另外， 本发明 通过设计一个独立的监视器， 通过两个锁相放大器对噪声监控并扣除， 提高了系统的性噪 比。 附图说明 0025 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 附图中 ： 说 明 书 CN 104266968 A 4 3/4 页 5 0026 图 1 为本发明高精度偏振二向反射自动测量仪的结构示意图 ； 0027 图 2 为本发明高精度偏振二向反射自动测量仪的主体结构示意图 ； 0028 图 3 为本发明实施例接收光学套筒原理结构示意图 ； 0029 图 4 为本发明实施例发射光学套筒原理结构示意图。 。
15、具体实施方式 0030 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明， 并不 用于限定本发明。 0031 具体实施方式一 ： 结合图1和图2说明本实施方式， 本实施方式中高精度偏振二向 反射自动测量仪包括发射套筒1， 接收套筒14， 发射臂2， 接收臂13， 发射臂夹持器3， 接收臂 夹持器 12， 数字角度计 4， 光纤耦合器 5， 激光器 6， 斩波器 7， 样品台 8， 锁相放大器 11 等部 件。 0032 激光器 6 产生激光光源， 并可通过更换不同的激光器来选择不同波长。
16、的激光光 源， 如可选633nm,532nm,473nm三种波长激光光源,激光由激光器发射。 激光通过斩波器7 调制， 由光纤耦合器 5 将激光导入光纤中， 光纤一端被固定在发射臂 2 的发射套筒 1 上， 发 射套筒 1 由支杆 15 支撑。待测样品放于样品台 8 上。光纤发射端距离样品台 8 约 2000mm 远。 0033 发射臂 2 由发射臂夹持器 3 固定， 发射臂夹持器 3 固定在基座前挡板 17 上， 并且 可以通过旋松螺丝 10 调节发射臂夹持器 3 转动到一定角度并固定。发射臂可通过手动调 节， 在主平面 0 180 ( 主平面为入射光与反射光构成的平面 ) 范围内固定。接收。
17、臂 13 由伺服电机 22 控制， 可以精确在主平面内转动， 最小分辨角 0.1。 0034 同样， 接收臂 13 由接收臂夹持器 12 固定， 接收臂 13 上安放有接收套筒 14。发射 臂 2 与接收臂 13 同轴， 接收臂 13 通过一根主轴 19 和联轴器 20 与减速器 21 相连， 减速器 21 的动力由伺服电机 22 提供。主轴 19 与基座前挡板 17 由轴承 18 固定。在伺服电机 22 的控制下， 接收臂 13 能够在主平面内转动到特定角度并固定。基座 23 用于固定减速器 21 和伺服电机 22。整套装置固定在底板 24 上， 底板 24 可通过螺丝固定在光学平台上。 0。
18、035 为保证接收臂 13 在转动过程中的稳定， 设计接收臂压板 16 将接收臂压紧在接收 臂夹持器 12 上。接收套筒 14 的输出信号被输入锁相放大器 11 中处理， 最后， 将锁相放大 器 11 的处理结果和数字角度计 4 的角度信息共同输入到上位机中， 可通过软件处理后， 显 示出来。 0036 本发明的一个较佳实施例中， 样品的表面上方还设有监视器 9， 该监视器 9 输出的 信号被输入到另一锁相放大器， 信号经该锁相放大器处理后， 将处理结果输入上位机， 上位 机对两个锁相放大器的信号进行处理可扣除背景噪声。 0037 具体实施方式二 ： 结合图3和图4说明本实施方式， 本实施方式。
19、与实施方式一的不 同点在于测量偏振信息， 其他可参考实施方式一。接收套筒 14 主要包括接收套筒筒体， 陷 波滤波器 26， 1/4 玻片 27， 线偏振片 28， 透镜 29， 光阑 30， 光电二极管 31。接收套筒 14 中 的陷波滤波器 26 只能透过特定波长的激光信号， 提高了系统的信噪比。通过旋转 1/4 玻片 27 和线偏振片 28， 使其处于不同的相对角度， 来检测特定偏振方向光， 然后， 光信号经过透 说 明 书 CN 104266968 A 5 4/4 页 6 镜 29 聚焦， 打到光电二极管 31 上， 光电二极管 31 将光信号转换为电信号输出。光阑 30 有 助于消除。
20、杂散光。整套光学元件都固定在接收套筒 14 内部。 0038 发射套筒 1 包括发射套筒筒体、 光纤发射头 35、 线偏振片 34、 1/4 玻片 33 和透镜 32。首先， 激光通过光纤耦合器进入光纤， 由发射套筒 1 中的光纤发射头 35 发出， 通过旋转 线偏振片 34， 1/4 玻片 33 处于不同的相对角度， 得到实验所需的偏振光。 0039 理论上 BRDF 的测量只需通过固定入射光， 并把探测器置于不同角度， 检测不同几 何条件下的反射光强度即可。但由于需要一系列的 BRDF 数据， 并且需要记录下来， 人工操 作非常繁琐， 且容易出错。本发明通过伺服电机控制， 通过自主设计的机。
21、械传动机构， 带动 接受转臂自动采集数据， 并由自主开发的软件自动采集， 处理， 记录数据， 减少了人为干预， 极大提高了效率和准确度。 0040 对于 BRDF 测量， 角分辨率也是一个评价仪器的重要指标。角分辨率指的是探测器 能够探测到的最小角度下的反射光强。其与探测器离开样品表面的距离呈正比。但臂长过 长则会大大提高设计难度， 影响仪器稳定性。 本发明通过自主设计的机械结构， 改良伺服电 机的控制算法， 使在测量数据稳定的前提下， 设计臂长 2000mm, 角分辨率 0.1， 实现了高 精度测量。 另外， 由于激光器散粒噪声的存在以及光纤耦合过程中噪声的引入， 光源的不稳 定是影响该类仪器精度的一大因素。本发明通过设计一个独立的监视器， 通过两个锁相放 大器对噪声监控并扣除， 提高了系统的性噪比。 0041 应当理解的是， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 说 明 书 CN 104266968 A 6 1/3 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104266968 A 7 2/3 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 104266968 A 8 3/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104266968 A 9 。